つり合い

一般小学生

まとめ

【定義】
物体に加わる回転させようとするはたらき(モーメント)の合計が零となり、物体が回転せずに静止している状態のことである。特に棒のつり合いにおいては、支点を中心とした「力×支点からの距離」の和が左右で等しくなることで水平が保たれる。

まとめ

つり合いの成立には、支点からの距離と加わる力の積が重要である。棒に重さがある場合、その重量は重心にかかっていると見なして計算を行う。また、この原理を回転運動に応用した「輪軸」では、半径の異なる輪を組み合わせることで、小さな力で大きな荷重と釣り合わせることが可能となる。

解説

物体が水平に静止する際の条件は、回転軸(支点)を基準とした左右のモーメントが等しくなることである。太さが一様な棒の場合、重心は幾何学的な中心に位置するが、太さが変化する棒では重心は太い部材の方へと偏る。計算上、棒自体の重さはすべてこの重心一点に作用していると考える。例えば、長さ100cm、重さ40gの一様な棒の左端から20cmの位置を支点とする。このとき、左端に60gのおもりを吊るすと、左側のモーメントは「60g × 20cm = 1200」となる。一方、右側では棒の重心(左端から50cm、支点から30cmの位置)に棒の重さ40gが作用するため、モーメントは「40g × 30cm = 1200」となり、左右が一致して水平につり合う。このモーメントの原理は、半径の異なる複数の輪が一体で回転する「輪軸」にも適用される。輪軸では「力 × 半径」の関係でつり合いが決定し、大きな半径を持つ「大輪」側を操作することで、中心軸へ効率的に力を伝達できる。ドライバーやドアノブ、自転車のペダルなどはこの仕組みを応用した代表例である。

小学生のみなさんへ

ぼうが水平にピタッと止まって動かない状態を「つり合い」といいます。ぼうをかたむけようとする力は、「おもりの重さ」と「支点(ささえている場所)からのきょり」をかけ算した大きさで決まります。この大きさが左右で同じになると、ぼうは水平につり合います。また、ぼう自体にも重さがあり、その重さは「重心(じゅうしん)」という1つの点に集まっていると考えて計算します。太さが同じぼうなら真ん中が重心ですが、先が細くなっているぼうなどは太い方に重心がよります。これを利用して、おもりの重さからぼうの重さを逆算することもできます。

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